高性能网站建设 下载,企业网站的建立要做的准备,wordpress标题怎么改,官方网站建设的意义本文为2023年第十八届中国研究生电子设计竞赛东北赛区一等奖作品分享#xff0c;参加极术社区的【有奖活动】分享2023研电赛作品扩大影响力#xff0c;更有丰富电子礼品等你来领#xff01;#xff0c;分享2023研电赛作品扩大影响力#xff0c;更有丰富电子礼品等你来领参加极术社区的【有奖活动】分享2023研电赛作品扩大影响力更有丰富电子礼品等你来领分享2023研电赛作品扩大影响力更有丰富电子礼品等你来领 基于FPGA的小型水下无线光通信端机设计 参赛单位大连理工大学 指导教师殷洪玺教授 参赛成员黄安、文浩、肖胡浩
研究背景
随着海洋开放程度越来越高、海洋发展速度的加快以及半导体器件的连续突破水下无线光通信技术飞速发展并逐渐投入到应用中去实现科学技术到生产力的转变。
现有研究中的LED设计的UWOC系统不管是在传输距离还是传输速率上都还有较大的改进空间同时系统的设计可以通过在收发端均利用FPGA以实现高阶调制、编码和信号处理及小型化系统集成进一步提高系统的性能和实用化。
针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求本文设计研制了一种高鲁棒性的基于FPGA和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。光发射机的光源采用45W大功率LED阵列基于FPGA实现高阶调制与编码并设计了准直光学发射天线能有效减少光束发散角大幅度延长了传输距离。在光接收端设计了一种基于3mm大孔径APD的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机可以将一定范围内不同功率光信号转换成等幅度电信号并由FPGA实时解调、译码可应对水下由于光链路轴偏角改变、传输距离变化、抖动、湍流等复杂因素造成光强度的闪烁或波动降低了光通信系统对准的严苛要求具有高鲁棒性。
该系统收发端均采用FPGA处理信号,可支持常用的OOK调制信号和以RS信道编码的16-QAM为例的高阶调制信号水下实时同步传输可以满足水下不同场景下应用需求。光通信收发端机均实现小型集成化以及严格的防水封装通过电路设计、内部集成摆脱了传统UWOC系统体大笨重的AWG信号源、示波器、线性电源等设备有极高的实际应用价值。
在速率上该设备可实现30Mbps的OOK信号和16QAM信号12m水下信道实时传输前者误码可达2.467×10-4后者误码为3.467×10-3在传输距离上实现22Mbps 的NRZ-OOK整形信号12m水下30m空气跨介质传输误码率为3.619×10-4在系统鲁棒性方面实现在12m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22Mbps OOK信号有效接收实际应用方面除了可以应用水下如搭载在潜艇上实现水下链路部署进行水下节点信息采集或信号传输其大功率LED阵列还支持空气-水链路无线光通信链路部署如在船只上部署端机并和水下蛙人或水下机器人群落进行信息交互。其传输能力已经过水下验证。
论文地址
地址一 http://www.opticsjournal.net/Articles/g230966/EarlyPosting 地址二 https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v3uoqIhG8C45S0n9fL2suRadTyEVl2pW9UrhTDCdPD660zuLoGYfYSZ97VrLV1wB_pK8Y_L5H8mv4-c4_7_O25s6YT2XFv8aIuniplatformNZKPT
研电赛门型框架 创新点与应用性
创新点
1.硬件设计方面发射端基于FPGA设计了一种45W大功率LED光发射机实现长距离、高速率信号传输接收端基于FPGA设计了一种自动增益控制光接收机将一定范围内不同功率光信号转换成等幅度电信号并由FPGA实时解调、译码可应对水下由于光链路轴偏角改变、传输距离变化、抖动、湍流等复杂因素造成光强度的闪烁或波动具有高鲁棒性。
2.系统性能方面设计并实现了一种高鲁棒性的基于大功率LED阵列和FPGA的小型水下无线光通信系统系统兼顾了大功率与调制带宽在传输速率30Mbps、传输距离12m水下30m空气、鲁棒性接收角度40°性能方面在国内外的研究中处于领先地位。
3.信号实时同步传输方面该系统收发端均采用FPGA处理信号,可支持常用的OOK调制信号和以RS信道编码的16-QAM为例的高阶调制信号水下实时同步传输。
4.小型化集成方面光通信收发端机均实现小型集成化以及严格的防水封装通过电路设计、内部集成摆脱了传统UWOC系统体大笨重的AWG信号源、示波器、线性电源等设备有极高的实际应用价值。
应用前景
除了可以应用水下如搭载在潜艇或AUV水下潜航器上实现水下链路部署进行水下节点信息采集或信号传输其大功率LED阵列还支持空气-水链路无线光通信链路部署如在船只上部署端机并和水下蛙人或水下机器人群落进行信息交互。其传输能力已经过水下验证。
设计实现
硬件设计
光学系统是水下光通信的基础与前提光源设备的选型镜片孔径选择光斑的整形以及透镜材料等都会大幅度影响光通信系统的性能。相对于对人体有害、对准难度高的LD激光光源价格低廉、技术已经成熟的LED光源是很好的选择LED光源的水下光通信应用除了实现点对点之间信息传输外还可以兼顾水下照明、水下视频拍摄、水下地貌勘探等。
光发射机由DE1-SOC FPGA开发板、45W大功率LED阵列、驱动电路、偏置器Bias-tee以及发射准直天线构成。LED阵列采用5串9并3030贴片集成光源芯片单个芯片额定功率1W实测波长517nm。光发射机实物图如下图所示其尺寸mm为150×200×450实测质量5.7kg散热方案采取鳍片式铝制散热片与12V内置风扇散热接口采用凌科DH20旋转式防水航空连接器发射准直天线采用高透光亚克力PMMA防水法兰与胶圈结构系统严格按照防水标准封装。 光接收机模块包含DE1-SOC FPGA开发板3mm光敏面大孔径APD自动增益控制光接受模块、线性电源模块以及光学接收模块系统框图如下图所示。其尺寸mm为300×200×200质量为3kg接口采用凌科DH20旋转式防水航空连接器。
本设计基于3mm光敏面大孔径雪崩光电二极管设计了一种自动增益控制光通信接收机。光接收机在实际应用中由于光链路轴偏角改变、传输距离变化、抖动、湍流等外部因素的影响接收到的光信号强度变化会使接收机FPGA处理器最终接收到的电信号质量剧烈变化这对复杂的调制信号传输方案影响巨大。而本设计中高鲁棒性自动增益控制光通信接收机可以有效解决这一难题。光信号经过APD转化成电流信号后经过跨阻放大器模块转化成电压信号随后通过VCA821芯片构建的自动增益放大器模块(Automatic Generation Control, AGC)放大成峰值幅度固定不变的电压信号最终输入至模数变换(ADC)模块。因此本系统除了支持OOK调制方案还可以应用于其他复杂模拟调制信号传输方案。在光接收机光链路空间结构上3mm大孔径APD雪崩光电二极管固定在凸透镜焦点处其高响应度的性能降低光学聚焦的严苛度并结合有一定光发散角的大功率LED发射机系统解决了传统水下光通信对准困难的问题增加了系统的鲁棒性。 信号选择与同步实现
在水下实时光通信方面小型端机传输信号方面除了传统的OOK调制信号实时通信外还可以实现RS编码的16QAM联合编码调制信号的实时传输。实验测试结果表明该设备可实现12m以上水下环境中30Mbps的OOK信号和16QAM信号实时同步传输。
以16QAM为例
在光发射端16QAM调制信号在DE1-SOC FPGA开发板上实现。随机数据流先进行串/并转换生成的4bit原始信号进行RS信道编码作为外码随后进行差分编码作为内码经过星座映射并添加载波信号生成RS-16QAM调制信号。生成的数字信号通过DAC数/模转换后由放大器放大通过Bias-tee偏置器注入DC直流电流, 调制到大功率LED阵列转换成光信号。
在接收端对16QAM信号进行严格的载波同步和位同步后还原成I、Q两路信号。本设计采用DD算法载波同步将接收的信号根据最近原则判决到最近的量化星座点上。载波同步过程中由DDS生成相干载波通过鉴相器和环路滤波器实时反馈调整载波的相位与频率。16QAM调制信号与相干载波相乘后经过滤波器恢复成I、Q两路基带信号。位同步方面使用基于插值算法的位同步。插值区间由数控振荡器NCO生成并输入到基于Farrow结构的插值滤波器以计算两个下变频分支信号并恢复基带信号的最佳判断时间。插值间隔通过实时反馈进行调整使用基于Gardner算法的误差检测器和环路滤波器进行计算。随后采用自适应门限判决的方法周期性训练出星座判决门限将I、Q两路位同步后的信号进行星座逆映射。最后进行部分差分解码、RS信道译码、串并变换还原成m伪随即序列二进制比特码流。 信号生成与同步详细实现过程可见论文 黄安, 殷洪玺, 季秀阳, 梁彦军, 文浩, 王建英, 沈众卫. 基于FPGA和大功率LED阵列光源的小型化UWOC系统的研究与实现[J]. 光学学报, 2024, 44(06): 02. 地址一 http://www.opticsjournal.net/Articles/g230966/EarlyPosting 地址二 https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v3uoqIhG8C45S0n9fL2suRadTyEVl2pW9UrhTDCdPD660zuLoGYfYSZ97VrLV1wB_pK8Y_L5H8mv4-c4_7_O25s6YT2XFv8aIuniplatformNZKPT
性能验证 为了验证基于FPGA的水下无线光通信接收机的接收性能使用基于FPGA的45W大功率LED阵列发射机生成5MHz-30MHz的正弦波以及15Mbps-30Mbps传输速率的NRZ-OOK脉冲整形信号经过12m水下信道传输后用示波器采集基于FPGA的自动增益控制接收端接收到的信号查看其性能。接收端接收5MHz-30MHz的正弦波如上图所示。
接收端接收15Mbps-30Mbps NRZ-OOK脉冲整形信号眼图如下图(a)~(d)所示可以看出15Mbps-25Mbps眼图质量较好三张采集到的眼图区分不太明显眼睛张开均比较明显信噪比较高误码率较低。由于光发射端原始带宽为22MHz当传输的NRZ-OOK信号速率为30Mbps超出-3dB光发射机器件原始带宽时信号一定程度畸变但眼图张开依旧明显。
对研制的基于FPGA和LED阵列大功率光源的小型UWOC端机进行误比特率(Bit Error Rate, BER)性能测试。水下信道长12m系统采用OOK和16QAM两种调制方式同步传输速率均从10Mbps逐步增大至30Mbps。测试结果下图所示可看出二者的BER均随着比特率的增加而增加但16QAM的误比特率总是高于OOK系统的误比特率。当系统速率达30Mbps时OOK脉冲整形信号的误比特率为2.47×10-4而16QAM误比特率已为3.47×10-3尽管均低于3.8×10-3 (FEC, Forward Error Correction )的阈值但16QAM的误比特率性能劣于OOK调制方式。这是因为QAM调制对信号的实时同步要求较高、及LED阵列的光束较宽致使水下信道的多径效应造成同步困难所致。
但是在相同的传输速率下16QAM的带宽利用率高于OOK调制测试结果下图所示可看出当传输速率为30Mbps时OOK信号需要30MHz的带宽而16QAM信号的带宽仅需13.5MHz远低于OOK调制。设计的16QAM系统的滚降系数为α0.8中心频率为7.5MHz符号速率为7.5Mbaud/s带宽利用率为2.22bit/s/Hz根据带宽公式BRB(1α)计算其理论值与实测值一致。由于系统受ADC采样率和同步算法限制没有充分利用16QAM高阶调制信号的带宽优势在速率提升上仍有较大的潜力。
为了进一步测试设计的光通信端机传输的极限距离但由于受到实验条件的限制实验中在已有的12m长水管的基础上增加了不同长度的空气链路构成了水-空气跨介质链路测试结果如下图所示。实验传输22Mbps的NRZ-OOK整形信号12m水下信道分别加上10m、20m、30m的空气信道传输后系统误码分别为7.635×10-6、1.654×10-4、3.619×10-4。将光发射端的速率增加至30Mbps后根据发射端放大器带宽增益积不变性质、及LED器件带宽的影响发射端信号幅度衰减12m水下信道分别加上10m、20m、30m空气信道传输后系统误码分别为3.619×10-4、1.595×10-4、1.975×10-2。在图中还给出了对应的信号眼图可以看出端机大功率LED光源线性较好在30Mbps速率传输时明显看出随着传输距离增长信号质量恶化眼图闭合明显。在12m水加上30m空气链路传输时22Mbps信号误码率可达3.8×10-3 EFC阈值。此外水-空气链路中当517nm波长光通信端机部署在自然光较强的场景下端机性能会受到影响。图中还对比了在白天正午外界自然光较强情况下30Mbps OOK信号传输其误码性能整体低于自然光影响较弱外界条件下的30Mbps OOK信号的误码率。
其它性能可通过上文见论文原文。
心得与总结
要在文章以及展示过程中强调并说明作品的应用性/实用价值视频要美观用流畅的普通话录制如果条件允许可以找专业人员录制要有一定创新点作品要求完整性可以自圆其说国赛作品大多有论文专利成果
本组设计很荣幸获得兆易创新杯第十八届研电赛东北赛区一等奖因为团队多数成员实习时间无法调整因素未能参与晋级赛略微遗憾。设计还有进步空间如使用TFT显示屏和摄像头实时传输视频结合LED阵列照明来实现水下视频实时拍摄有极大进步空间这正是我们努力进步的方向 参加极术社区的【有奖活动】分享2023研电赛作品扩大影响力更有丰富电子礼品等你来领分享2023研电赛作品扩大影响力更有丰富电子礼品等你来领
